(57)【要約】【課題】本発明は、作用波長を長波長化した量子ドット半導体素子に関する。そして、該量子ドット半導体素子の製造方法に関する。さらに、該量子ドット半導体素子を用いた量子ドットレーザ、光増幅素子、光電変換素子、光送信機、光中継機及び光受信機に関する。【解決手段】本発明に係る量子ドット半導体素子の製造方法は、基板２１に量子ドット２３ａを形成する工程と、前記量子ドット２３ａの表面に窒素を導入する工程と、表面に窒素を導入した前記量子ドット２３を保護するキャップ層２５を形成する工程とを備える。このような製造方法によって、本発明に係る量子ドットの表面に窒素を導入した量子ドット半導体素子が形成される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットの表面に窒素を導入したこと
を特徴とする量子ドット半導体素子。
【請求項２】
前記量子ドットは、ＧａＡｓの所定の表面に形成したＩｎＡｓの量子ドットであること
を特徴とする請求項１に記載の量子ドット半導体素子。
【請求項３】
表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子ドット半導体素子。
【請求項４】
前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ又はＩｎＡｓＳｂの何れかであること
を特徴とする請求項３に記載の量子ドット半導体素子。
【請求項５】
活性層に請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする量子ドット半導体レーザ。
【請求項６】
増幅層に請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする光増幅素子。
【請求項７】
光電変換層に請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする光電変換素子。
【請求項８】
光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、
前記光源部は、請求項５に記載の量子ドット半導体レーザを備えること
を特徴とする光送信機。
【請求項９】
光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、
前記光増幅部は、請求項６に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光送信機。
【請求項１０】
伝送路中に介設され光を増幅する光増幅部を備えた光中継機において、
前記光増幅部は、請求項６に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光中継機。
【請求項１１】
光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する受信部とを備える光受信機において、
前記光増幅部は、請求項６に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光受信機。
【請求項１２】
光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する光受信部とを備える光受信機において、
前記光受信部は、請求項７に記載の光電変換素子を備えること
を特徴とする光受信機。
【請求項１３】
基板に量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に窒素を導入する工程と、
表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層を形成する工程とを備えること
を特徴とする量子ドット半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドット半導体素子に関し、特に、作用波長を長波長化した量子ドット半導体素子に関する。そして、該量子ドット半導体素子の製造方法に関する。さらに、該量子ドット半導体素子を用いた量子ドットレーザ、光増幅素子、光電変換素子、光送信機、光中継機及び光受信機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス技術の更なる発展を目指し、量子力学的効果を利用した素子が盛んに研究及び開発されている。この量子力学的効果を利用する材料の一つとして量子ドットが知られている。量子ドットは、半導体や金属等で作られた微小な粒子であり、キャリアに３次元的な量子閉じ込めを与えるほど極めて微細なポテンシャルの箱である。量子ドットは、０次元電子系の特有な性質を発揮する。例えば、量子ドットを半導体レーザの活性層に用いた量子ドット半導体レーザでは、非常に鋭い発光スペクトル、発振閾値電流における温度特性の改善、発振閾値電流の低減及び変調帯域の増加等の、デバイスへの応用上非常に魅力的な特性改善が実現し得る。
【０００３】
この量子ドットは、初期の頃では、半導体結晶を電子線リソグラフィ技術又は集束イオン・ビームを用いて微細加工する技術が用いられていたが、ナノ・スケールの微細加工の限界やダメージ等の問題から、近年では、専ら、結晶成長中の自己組織化が利用されている。その量子ドットの製造方法としては、格子不整合系材料の結晶成長を利用したＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）法がある。
【０００４】
このＳＫ法は、第１の格子定数を持つ第１半導体下地基板上に第１の格子定数に較べて大きい格子定数を持つ第２半導体を成長させる方法である。第２半導体は、成長を開始した初期においては２次元層状に成長するが、第２半導体の層厚が或る閾値を越えると、この２次元層上にナノ・スケールの３次元島状に成長する。この３次元島が量子ドットであり、２次元層は、ぬれ層と呼ばれる。このような成長は、下地基板と成長層との間の結合力及び格子不整合に起因すると考えられている。第２半導体は、成長初期においては第１半導体下地基板との結合力が強く働き２次元的に平坦に成長し、さらに成長が行われると第１半導体下地基板と第２半導体の成長層との格子不整合による歪みエネルギーが増大し、ついには３次元島状の成長となる。なお、３次元島は、第１半導体下地基板と第２半導体の成長層との格子不整合が大きいほど小さくなる性質がある（なお、例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、近年、インターネットの急速な普及により通信トラフィックが急増し、これに対応すべく、通信信号が大量かつ高速に伝送可能な光通信システムが発展してきている。光通信システムは、一般に、光を発光する光源部、光源部から出力された光を送信すべき情報に従って変調して光信号として出力する外部変調部、及び、変調された光信号を増幅する光増幅部を備えて増幅された光信号を出力する光送信機と、光送信機から出力された光を伝送する光ファイバを備える伝送路と、光ファイバで伝送された光を増幅する光増幅部、及び、増幅された光を受信する受信部を備える光受信機とを備えて構成される。そして、伝送距離が長い場合には伝送損失を補償するために光を増幅する光増幅部を備えた光中継機が必要に応じて伝送路中に介設される。また、外部変調部を設けることなく光源部を直接変調する光送信機もある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１９６１９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在の光通信システムは、石英系ガラスを材料とした光ファイバが主に用いられ、そして、光ファイバの伝送損失が波長１．３μｍ帯又は波長１．５５μｍ帯で小さいことから、通信波長帯域としてこれら波長帯域が使用されている。このため、発振波長１．３μｍ帯又は波長１．５５μｍ帯に対応した量子ドット半導体素子が要望されており、量子ドット半導体素子における発振波長、増幅波長及び光電変換波長等の作用波長における長波長化が要望されている。
【０００８】
特に、量子ドット半導体レーザは、上述した０次元電子系の特有な性質に基づき様々な特性改善が見込まれ、これを組み込んだ光送信機の性能向上が期待される。また、現在の光通信システムでは、光増幅器に希土類元素添加光ファイバ増幅器が用いられている。この希土類元素添加光ファイバ増幅器は、所定の増幅率を得るために長尺な光ファイバが必要であることから他の部品に較べて大型である。その結果、希土類元素添加光ファイバ増幅器を組み込んだ光送信機、光中継機及び光受信機の小型化が阻害されている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、作用する光の波長を長波長化した量子ドット半導体素子及び該量子ドット半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに、このような量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザ、光増幅素子、光電変換素子、光送信機、光中継機及び光受信機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入する。そして、このような量子ドット半導体素子の製造方法は、基板に量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットの表面に窒素を導入する工程と、表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層を形成する工程とを備える。そして、上述の量子ドット半導体素子において、前記量子ドットは、ＧａＡｓの所定の表面に形成したＩｎＡｓの量子ドットである。
【００１１】
このような構成の量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入することによって、導入しない量子ドット半導体素子に較べて作用波長を長波長化することができる。
【００１２】
そして、上述の量子ドット半導体素子において、表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層をさらに備える。このような構成の量子ドット半導体素子は、キャップ層を設けることによって量子ドットを保護することができ、キャップ層上に量子ドットの層をさらに重ねることによって、量子ドットの層を多層化することができる。
【００１３】
さらに、上述の量子ドット半導体素子において、前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ又はＩｎＡｓＳｂの何れかである。このような構成の量子ドット半導体素子は、キャップ層にＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ又はＩｎＡｓＳｂの何れかを用いるので、さらに作用波長を長波長化することができる。
【００１４】
また、本発明に係る量子ドット半導体レーザは、活性層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。本発明に係る光増幅素子は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。本発明に係る光電変換素子は、光電変換層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。
【００１５】
このような構成の量子ドット半導体レーザ、光増幅素子及び光電変換素子は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を、量子ドット半導体レーザの活性層、光増幅素子の増幅層、光電変換素子の光電変換層にそれぞれ用いるので、窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができ、そして、０次元電子系の特有な性質に基づき特性が改善され得る。
【００１６】
さらに、本発明では、光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、前記光源部は、活性層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザを備える。本発明では、光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。
【００１７】
このような構成の光送信機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザ又は光増幅素子を利用するので、これらに窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。特に、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用することによって、光送信機を小型化することができる。
【００１８】
本発明では、伝送路中に介設され光を増幅する光増幅部を備えた光中継機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。このような構成の光中継機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用するので、これに窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。また、光中継機を小型化することができる。
【００１９】
本発明では、光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する受信部とを備える光受信機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。そして、本発明では、光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する光受信部とを備える光受信機において、前記光受信部は、光電変換層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光電変換素子を備える。
【００２０】
このような構成の光受信機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子又は光電変換素子を利用するので、窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。特に、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用することによって、光受信機を小型化することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。まず、窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置について説明する。
【００２２】
図１は、分子線エピタキシによる窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置における成長室の概略構成図である。
【００２３】
一般に、分子線エピタキシ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）は、１０−１０〜１０−１１Ｔｏｒｒ程度の超高真空中において、基板を成長温度に加熱し、エピタキシャル成長すべき元素の原料物質が入ったセルを加熱することによって当該原料物質を蒸発させて分子線の形で基板に供給してエピタキシャル成長させる結晶成長法である。
【００２４】
窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置は、周知のＭＢＥ装置と同様に、基板２１に各層を成長させる成長室１、試料を交換するための交換室（ロードロック室）、交換室から成長室１に基板２１等の試料を搬送するための搬送室等の複数のチャンバを備えて構成される。図１において、成長室１は、チャンバ１０、インジウムセル（以下、「Ｉｎセル」と略記する。）１１、ガリウムセル（以下、「Ｇａセル」と略記する。）１２、ヒ素セル（以下、「Ａｓセル」と略記する。）１３、窒素プラズマセル１４、基板ホルダ１５、マニピュレータ１６、ＲＨＥＥＤ電子銃１７、及び、ＲＨＥＥＤスクリーン１８を備えて構成される。
【００２５】
チャンバ１０は、外界と環境を区切るための筐体であり、ロータリポンプやターボ分子ポンプ等の真空ポンプを利用することによってその内部圧力を超高真空にすることが可能となっている。
【００２６】
基板ホルダ１５は、基板２１を支持する例えばＭｏ（モリブデン）製の部材であり、マニピュレータ１６によってチャンバ１０に支持される。マニピュレータ１６の基板ホルダ１５に近い先端部には不図示の抵抗加熱ヒータが取り付けられており、この抵抗加熱ヒータによってマニピュレータ１６及び基板ホルダ１５を介して基板２１が加熱される。基板ホルダ１５内には熱電対が内蔵されており、この熱電対によって基板温度が検出される。また、基板２１の基板温度をより正確に監視する観点からさらに不図示の赤外線放射温度計が備えられる。
【００２７】
Ｉｎセル１１、Ｇａセル１２及びＡｓセル１３は、クヌードセンセル（Ｋｎｕｄｓｅｎ−ｓｅｌｌ）型分子線源である。Ｉｎセル１１は、インジウム（以下、元素記号「Ｉｎ」で略記する。）が入ったルツボを抵抗線で加熱することによってＩｎを高温蒸発させ、シャッタ１１ａを開けることによってＩｎを分子線として基板２１に供給する。同様に、Ｇａセルは、ガリウム（以下、元素記号「Ｇａ」で略記する。）が入ったルツボを抵抗線で加熱することによってＧａを高温蒸発させ、シャッタ１２ａを開けることによってＧａを分子線として基板２１に供給する。Ａｓセルは、ヒ素（以下、元素記号「Ａｓ」で略記する。）を加熱することによって高温蒸発させ、シャッタ１３ａを開けることによってＡｓを分子線として基板２１に供給する。Ｉｎ、Ｇａ及びＡｓの分子線の制御は、シャッタの開閉（開時間）及びルツボの加熱温度によって行われる。
【００２８】
窒素プラズマセル１４は、窒素ガスにＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の電界を作用させることによって主に原子状窒素（窒素プラズマ）を生成し、シャッタ１４ａを開けることによって原子状窒素を基板２１に供給する。ここで、原子状窒素を生成する装置としてＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマセルもあり、ＥＣＲプラズマセルも利用可能であるが、量子ドットに損傷を与える窒素のイオン種をあまり発生しないように比較的容易に制御可能である点で、本実施形態で用いるＲＦプラズマセルが好ましい。原子状窒素の分子線の制御は、シャッタの開閉（開時間）及びＲＦのパワーによって行われる。
【００２９】
図２は、窒素プラズマの分光スペクトルを示す図である。図２の横軸は、ｎｍ単位の波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を示し、その縦軸は、強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す。
【００３０】
窒素プラズマセル１４内では、１ｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｎ２、２ｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｎ２と呼ばれる励起窒素分子、原子状窒素（Ａｔｏｍｉｃ  Ｎ２）及び窒素イオンが生成されるが、窒素イオンは、結晶にダメージを与えるためその発生を抑制することが望ましい。そのため、窒素プラズマセル１４は、図２に示すように、窒素イオン（発光線３９１、４２８ｎｍ）及び２ｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｎ２（３１６〜４００ｎｍ）シリーズがほとんど無く、原子状窒素（発光線７４３．０、８１８．３、８６５．１ｎｍ）及び中性窒素ラジカルに基づく１ｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｎ２（５５０〜８００ｎｍ）シリーズを含む分子線源となるように、ＲＦパワーを比較的低く設定する等によって制御される。従って、本実施形態においては、原子状窒素及び１ｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｎ２が量子ドット表面への窒素の添加に寄与していると考えられる。
【００３１】
ＲＨＥＥＤ電子銃１７は、約１０ｋｅＶ〜４０ｋｅＶの電子線を照射する装置であり、ＲＨＥＥＤスクリーン１８は、基板２１で反射回折された電子線の回折像を投影する装置である。これらＲＨＥＥＤ電子銃１７及びＲＨＥＥＤスクリーン１８を備えてＲＨＥＥＤ装置を構成する。
【００３２】
ＲＨＥＥＤ（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｈｉｇｈ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｙｉｏｎ：反射型高速電子線回折）は、電子線を基板表面に浅い角度で入射させ、表面原子配列によって回折された電子線を蛍光スクリーンに投影する方法である。ＲＨＥＥＤは、電子線が浅い角度で入射されるため、回折像は、表面２次元格子の特徴をよく表し、しかも、成長過程に擾乱を与えないという特徴を持っている。このため、ＲＨＥＥＤは、表面原子配列の観察に最も適した方法であり、成長過程中において表面原子配列を観察することができる。
【００３３】
この特徴から、本実施形態では、ＲＨＥＥＤは、成長過程における表面を監視（モニタ）するための装置として用いられている。本実施形態では、基板温度に基づいて各層の成長を制御するのではなく、ＲＨＥＥＤによって直接基板表面の構造を確認しながら（その場観察しながら）成長の制御を行うので、再現性よく精密に各層を成長させることができる。本実施形態では、後述するように、例えば、バッファ層の成長を基板温度約５５０℃で行ったが、この基板温度は、参考であってＲＨＥＥＤの回折像に基づいて成長の制御を行っている。
【００３４】
次に、窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法について説明する。
【００３５】
図３は、窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図４は、各製造工程における窒素導入量子ドット半導体素子の断面模式図である。図５は、２．５ＭＬのＩｎＡｓ成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。図６は、１．０ＭＬのＩｎＡｓ成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。図７は、２．５ＭＬのＩｎＡｓについてのヘテロ構造成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【００３６】
まず、基板２１の第１の洗浄が行われる（Ｓ１１）。この第１の洗浄は、基板２１をチャンバ１０内に入れる前に行う、基板２１に付着した汚染物質を除去するための洗浄である。第１の洗浄は、本実施形態では、基板２１をアセトン及びメタノールで有機煮沸洗浄し、フッ化水素酸で酸化膜を除去し、さらに、Ｈ２Ｏ（水）：Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）：Ｈ２ＳＯ４（硫酸）＝１：１：３の比率で作製した溶液でエッチングすることによって行った。
【００３７】
ここで、基板２１について説明する。基板２１には、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯に対応するバンドギャップを有し得るＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられる。１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯は、現在の光通信システムにおける通信波長帯域である。ＩＩＩ族元素には、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）が用いられ、Ｖ族元素には、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）及びＳｂ（アンチモン）が用いられる。基板２１は、本実施形態では、ＧａＡｓである。
【００３８】
また、基板２１の表面構造について説明する。ＧａＡｓ（００１）表面における表面再構成構造は、Ｇａ−ｒｉｃｈ表面とＡｓ−ｒｉｃｈ表面とに分けられ、Ａｓ−ｒｉｃｈ表面の表面再構成構造は、基板温度の高いほうから（２×４）α、（２×４）β、（２×４）γ、ｃ（４×４）がある。Ａｓの被覆率は、順に２／４、３／４、４／４、７／４になっており、これは、基板温度が高いほどＡｓが脱離し易いことを示している。（２×４）αでは２個のＡｓダイマ（Ａｓ二量体）が［−１１０］方向に存在し、（２×４）βでは３個のＡｓダイマが［−１１０］方向に存在し、（２×４）γでは２個のＡｓダイマのうち一方が［１１０］方向に他方が［−１１０］方向に存在し、そして、ｃ（４×４）では１個のＡｓダイマが［１１０］方向に存在する。一方、Ａｓを脱離させることによってＧａ−ｒｉｃｈ表面にすることができ、その場合の表面再構成構造は（４×２）となる。本実施形態では、種々の実験結果から窒素を精密に成長することができることから、特に表面再構成構造は、（２×４）γである。よって、本実施形態では、（２×４）γのＧａＡｓ（００１）の基板２１を用いた。
【００３９】
次に、基板２１が成長室１のチャンバ１０に入れられ、基板２１の第２の洗浄が行われる（Ｓ１２）。この第２の洗浄は、基板２１をチャンバ１０内に入れた後に行う、基板２１の表面における酸化膜等を除去するための洗浄である。この第２の洗浄は、本実施形態では、３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中で、この基板２１を２０分間、６００℃で加熱することによって行った。なお、ＲＨＥＥＤパターンを参照することによって酸化膜等の除去を確認した。
【００４０】
次に、結晶欠陥を低減させ、表面を原子レベルで平坦にするために基板２１上にバッファ層２２を成長させる（Ｓ１３）。本実施形態では、欠陥の少ない良好な表面再構成構造（２×４）γの表面を出すために、３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中で、基板温度約５５０℃でＧａＡｓのバッファ層２２を１６０ｎｍ成長した（図４（Ａ）参照）。なお、ＲＨＥＥＤパターンを参照することによって表面再構成構造が（２×４）γになっていることを確認しながら成長させる。バッファ層成長後に３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中で表面を観察すると、ＲＨＥＥＤの［１１０］方向のパターンは、（００）、（±１／２  ０）、（±１  ０）の各ロッドを示し、［−１１０］方向では、図５（Ａ）、図６（Ａ）及び図７（Ａ）を見ると分かるように、ＲＨＥＥＤパターンにストリーク状の（００）、（０±１／４）、（０±２／４）、（０±３／４）、（０±１）の各ロッドが確認でき、さらに、（０±２／４）ロッドの強度が弱いことから、バッファ層２２の表面再構成構造が（２×４）γになっていることが確認できる。
【００４１】
次に、ＳＫ法により量子ドットを形成するためにバッファ層２２上に所定物質の薄膜２３を成長させる（Ｓ１４）。本実施形態では、基板温度約４７３℃において、３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中でＩｎセル１１のシャッタを所定時間開くことによってＩｎＡｓの薄膜２３を所定膜圧に成長させた（図４（Ｂ）参照）。Ｉｎセル１１によるＩｎＡｓの薄膜２３における成長速度は、Ｉｎセル１１の温度が６４０℃で約８６ｓ／ＭＬ（分子層）である。
【００４２】
ここで、量子ドットの形成条件を調べるために、所定時間を８６秒及び２１０秒に設定し、所定膜圧が１．０ＭＬ及び２．５ＭＬの２種類のＩｎＡｓ薄膜２３を形成した。ＩｎＡｓの薄膜２３における膜圧が１．０ＭＬでは、図６（Ｃ）に示すように［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンにストリーク状の（００）及び（０±１）のロッドだけが見えるので、２次元ぬれ層２３ａのみの２次元層状構造で量子ドットは形成されていない。一方、ＩｎＡｓの薄膜２３における膜圧が２．５ＭＬでは、図５（Ｃ）及び図７（Ｂ）に示すように［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンに（００）及び（０±１）のロッドがアローパターンに変化したことから、２次元ぬれ層２３ａ上に三次元島状構造の量子ドット２３ｂが形成されていることが分かる。ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの格子定数は、それぞれ５．６２３オングストローム及び６．０５８オングストロームであり、これらの差から生じる約７％の格子不整合による歪みエネルギーが蓄積され、３次元島状構造の量子ドットが形成される。なお、２．５ＭＬ及び１．０ＭＬの各条件において、成長途中である１０秒後のＲＨＥＥＤパターンを図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００４３】
次に、ＩｎＡｓ表面に窒素を導入する（Ｓ１５）。ここに本発明の一特徴がある。本実施形態では、基板温度約４７３℃において、３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中で、窒素プラズマセル１４に２２４Ｗの高周波電界を加えて、窒素プラズマの発生から８秒間窒素をシャッタ１４ａを開くことによって、ＩｎＡｓ表面に窒素原子を導入した。これによって図４（Ｃ）に示すように、量子ドット２３ｂ及びぬれ面２３ａに窒素原子に関する層２４を形成する。図７（Ｂ）と図７（Ｃ）とを比較すると分かるように、窒素８秒間導入後のＲＨＥＥＤパターンは、ＩｎＡｓ２１０秒間成長後のＲＨＥＥＤパターンと略同様であり、量子ドット２３ｂに損傷を与えることなく窒素が導入されていることが分かる。即ち、窒素の導入後も量子ドットが維持されている。なお、ＩｎＡｓ表面に導入された窒素原子は、表面に化学吸着したもの（ＩｎＡｓの表層におけるＡｓと原子状窒素が交換しＩｎＡｓの表層にＩｎＡｓＮの窒化物層が形成されたもの）と思われる。しかしながら、量子ドットに損傷を与えることなくＩｎＡｓの表面に窒素が導入され、後述するように、窒素に関する層を形成しない場合較べて、この窒素導入量子ドット半導体素子における作用波長が長波長化する。
【００４４】
次に、ＧａＡｓキャップ層を成長させ、窒素に関する層２４を被覆する（Ｓ１６）。本実施形態では、３．０×１０−６ＴｏｒｒのＡｓ雰囲気中で、基板温度約４７３℃でＧａＡｓのキャップ層２５を５０ｎｍ成長した（図４（Ｄ）参照）。なお、この場合における［−１１０］方向におけるＲＨＥＥＤパターンを図７（Ｄ）に示す。キャップ層を設けることによって窒素に関する層２４を形成した量子ドットを保護することができ、キャップ層上に量子ドットの層をさらに重ねることによって、量子ドットの層を多層化することができる。
【００４５】
このような各製造工程を経て、面指数（００１）で表面再構成（２×４）γのＧａＡｓ層２１、２２、ＩｎＡｓ量子ドットを形成するＩｎＡｓ層２３、窒素に関する層２４及びＧａＡｓキャップ層２５から成る窒素導入量子ドット半導体素子が製造される。
【００４６】
図８は、フォトルミネッセンスの発光スペクトルを示す図である。図８の横軸はｎｍ単位の波長を示し、その縦軸は強度を示す。測定は、測定温度４Ｋで励起光源に発振波長４８８ｎｍ、２０ｍＷのＡｒ＋レーザを用いて試料を発光させてＧａＩｎＡｓのＣＣＤを用いて発光を検出することにより行った。
【００４７】
半導体結晶にバンド間端エネルギーＥｇよりも大きいエネルギーを持つ励起光を照射するとフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と呼ばれる光が発生することがある。これは、励起光によりキャリアが発生して励起状態へ遷移し再結合を行う際に放出する光である。高純度結晶に極低温で励起光を照射すると、バンド端間付近（ｎｅａｒ−ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ）のエネルギー領域に鋭い発光ピークが現われる。一方、電子と正孔が再結合する際、結晶内に存在している不純物や格子欠陥を介して結合する過程を経由すると、発光スペクトルは、不純物や格子欠陥固有のものとなる。また、発光強度は、励起光の強度とエネルギー、不純物濃度、非放射再結合中心の濃度、測定温度等の多くの因子によって決まる。このフォトルミネッセンスの発光スペクトルを解析することにより、バンド構造、不純物、格子欠陥、量子物性に関する情報が得られ、半導体素子を半導体レーザ、光増幅素子又は光電変換素子に適用した場合に発光波長、増幅波長又は変換波長等の作用波長が分かる。
【００４８】
図８において、Ａの発光スペクトルは、窒素を導入しないＩｎＡｓ量子ドット（ＩｎＡｓ  ＱＤｓ）の場合であり、Ｂの発光スペクトルは、窒素を導入したＩｎＡｓ量子ドット（ＩｎＡｓ  ＱＤｓ＋窒素）の場合である。Ａ及びＢの発光スペクトルを見ると分かるように、４Ｋにおいて発光ピークが約１０６０ｎｍから約１１９０ｎｍへ約１３０ｎｍシフトして長波長化していることが分かる。このように窒素導入量子ドット半導体素子は、窒素に関する層を形成しない場合較べて、作用波長が長波長化する。
【００４９】
図９は、フォトルミネッセンスの発光スペクトルにおける温度依存性を示す図である。図９の横軸はｎｍ単位の波長を示し、その縦軸は強度を示す。発光スペクトルは、４Ｋ、６Ｋ、８Ｋ１０Ｋ、１５Ｋ、２０Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋ、８０Ｋ、１００Ｋ、１５０Ｋの各温度で調べた。図１０は、発光ピークの温度特性を示す図である。図１０の横軸はＫ単位の温度を示し、その縦軸はｎｍ単位の波長を示す。図１０の破線は、発光ピークの温度特性を示す、測定結果に基づくフィッティング関数である。
【００５０】
図９から分かるように、本実施形態に係る窒素導入量子ドット半導体素子は、１５０Ｋまでの温度で、量子ドットに起因する約１２００ｎｍの比較的強い発光（発光ピーク）と２次元ぬれ層に起因する約１０００ｎｍ〜約１１００ｎｍのブロードな発光がある。また、図９及び図１０から分かるように、発光ピークは、温度上昇に伴って長波長側へシフトしていることが分かる。発光ピークの温度特性は、各温度における各発光ピークの値から式１のように表される。
Ｅｇ（Ｔ）＝Ｅｇ（０）−αＴ２／（β＋Ｔ）
α＝４．９９×１０−４ｅＶ／Ｋ、β＝３１９Ｋ            ・・・    （１）
この式から室温２７℃（３００Ｋ）における発光ピークは、約１３００ｎｍと予測される。
【００５１】
本発明に係る窒素導入量子ドット半導体素子は、量子ドットレーザ、光増幅素子、光信号処理素子及び光電変換素子等に応用することができる。そこで、次に、本発明に係る窒素導入量子ドット半導体素子を半導体レーザの活性層、光増幅素子の増幅層又は光電変換素子の変換層に用いた場合について説明する。なお、光信号処理素子は、光を増幅するだけでなく、変調等も行うことができる高機能化・多機能化された素子である。
【００５２】
図１１は、窒素導入量子ドット半導体レーザ又は窒素導入量子ドット光増幅素子の構成を示す図である。
【００５３】
図１１において、窒素導入量子ドット半導体レーザ１００は、ファブリペロー型の半導体レーザであり、半導体の基板１１２と、基板１１２上に形成された半導体のクラッド層１１３と、クラッド層１１３上に形成された活性層１１４と、活性層１１４上に形成された半導体のクラッド層１１４と、クラッド層１１４上にクラッド層１１４をストライプ状に残して形成された酸化物の絶縁層１１６と、絶縁層１１６及びストライプ状に残されたクラッド層１１４上に形成された金属のオーミック電極１１７と、基板１１２におけるクラッド層１１３を形成した面の反対側に形成された金属のオーミック電極１１１とを備えて構成される。この活性層１１４は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。
【００５４】
このような構成の窒素導入量子ドット半導体レーザ１００は、電流を注入すると活性層１１４の端面からレーザ光が出力される。そして、出力レーザ光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される活性層の量子ドット半導体レーザに較べて長波長となる。
【００５５】
なお、発光強度を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて活性層１１４を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて活性層１１４を構成してもよい。
【００５６】
一方、窒素導入量子ドット光増幅素子１２０は、図１１に示す活性層１１４が増幅層１２４と呼び方が変わるだけで、窒素導入量子ドット半導体レーザ１００と同様の構成である。そして、増幅層１２４は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。
【００５７】
このような構成の窒素導入量子ドット光増幅素子１２０は、図１１に破線で示すように、増幅層１２４の一方端面からレーザ光を入力すると、誘導放出により入力レーザ光が増幅されて増幅層１２４の他方端面から出力される。そして、この増幅されるレーザ光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される増幅層の量子ドット光増幅素子に較べて長波長となる。
【００５８】
なお、増幅率を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて増幅層１２４を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて増幅層１１４を構成してもよい。
【００５９】
図１２は、窒素導入量子ドット光電変換素子の構成を示す図である。図１２において、窒素導入量子ドット光増幅素子１３０は、半導体の基板１３２と、基板１３２上に形成された光電変換層１３３と、光電変換層１３３上に形成された透明電極１３４と、基板１３２における光電変換層１３３を形成した面の反対側に形成された金属のオーミック電極１３１とを備えて構成される。この光電変換層１３３は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。透明電極は、例えば、ＩＴＯである。
【００６０】
このような構成の窒素導入量子ドット光電変換素子１３０は、透明電極１３４を介して光電変換層１３３に光が入射されると、光電変換層１３３で光がその強度に従った電流に変換され、オーミック電極１３１及び透明電極１３４から取り出される。そして、光電変換される光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される光電変換層の量子ドット光電変換素子に較べて長波長となる。
【００６１】
特に、窒素導入量子ドット光電変換素子１３０は、上述したＧａＡｓ基板にＩｎＡｓの量子ドットを形成してこの量子ドットの表面に窒素を導入した窒素導入量子ドットを光電変換層１３３に用いると、赤外光を光電変換する素子となる。このため、窒素導入量子ドット光電変換素子１３０が太陽電池に利用された場合には、赤外光を光電変換することができるので、太陽電池全体の変換効率を向上させることができる。また、窒素導入量子ドット光電変換素子１３０が固体撮像素子に利用された場合には、赤外光を光電変換する撮像素子を製造することができる。
【００６２】
なお、変換効率を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて光電変換層１３３を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて光電変換層１３３を構成してもよい。
【００６３】
図１３は、光通信システムの構成を示す図である。図１３において、光通信システム２００は、光信号を送信する光送信機２０１と、光送信機２０１から出力された光信号を伝送する伝送路２０２と、伝送路２０２で伝送された光信号を受信する光受信機２０３を備えて構成され、光信号の伝送損失を考慮して１又は複数の光信号を増幅する光中継機２０４（２０４−１、・・・、２０４−ｎ）が伝送路２０２中に備えられる。
【００６４】
光送信機２０１は、レーザ光を出力するレーザ光源（以下、「ＬＤ光源」と略記する。）２１１と、ＬＤ光源から射出されたレーザ光を送信すべき情報に従って変調する外部変調器２１２と、外部変調器２１２で変調されたレーザ光を増幅する光増幅器２１３と、光増幅器２１３で増幅されたレーザ光を２つに分岐する光カプラ２１４と、光カプラ２１４で分岐した一方のレーザ光を受光して光電変換する受光素子２１５と、ＬＤ光源２１１、外部変調器２１２及び光増幅器２１３を制御する制御回路２１６とを備えて構成され、光カプラ２１４で分岐した他方のレーザ光が該光送信機２０１の出力となる。制御回路２１６は、受光素子２１５の出力に基づいて、該光送信機２０１から一定強度のレーザ光が出力されるように光増幅器２１３のゲインを調整する。ＬＤ光源２１１は、例えば、レーザ光を発光する本発明に係る窒素導入量子ドット半導体レーザと、この窒素導入量子ドット半導体レーザを駆動する駆動回路とを備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット半導体レーザを冷却する冷却部をさらに備える。
【００６５】
なお、上述では、外部変調器２１２でレーザ光を変調したが、レーザ光源の駆動電流を変調することで変調する直接変調によってレーザ光を変調してもよい。この場合には、駆動回路が変調部に相当する一実施形態となる。
【００６６】
光中継機２０４は、伝送路２０２からのレーザ光（光信号）を増幅する光増幅器２４１を備えて構成される。なお、光中継機２０４には、必要に応じて波長分散を補償する分散補償光ファイバをさらに備えてもよい。
【００６７】
光受信機２０３は、伝送路２０２からのレーザ光（光信号）を増幅する光増幅器２３１と、光増幅器２３１で増幅されたレーザ光を受光して光電変換する受光素子２３２と、受光素子２３２の出力に基づいて情報を復調する復調器２３３とを備えて構成される。
【００６８】
そして、光増幅器２１３、２３１、２４１は、例えば、本発明に係る窒素導入量子ドット光増幅素子を備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット光増幅素子を冷却する冷却部をさらに備える。受光素子２１５、２３２は、例えば、本発明に係る窒素導入量子ドット光電変換素子を備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット光電変換素子を冷却する冷却部をさらに備える。
【００６９】
このような構成の光通信システム２００では、光送信機２０１から出力された光信号は、光中継機２０４で伝送損失を補償されつつ伝送路２０２を伝送し、光受信機２０３で受信される。そして、特に、光送信機２０１は、窒素導入量子ドット半導体レーザを利用することによって、性能が向上し、また、光送信機２０１、光受信機２０３及び光中継機２０４は、光増幅器２１３、２３１、２４１に窒素導入量子ドット光増幅素子を利用することによって小型にすることができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、各層の成長をＭＢＥ法を用いたが、これに限定されるものではなく、レーザ蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相蒸着法）等の半導体成長製造技術を利用することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、ＩｎＡｓの量子ドットを形成したが、これに限定されるものではなく、長波長化の観点から、ＩｎＡｓのバンドギャップを小さくする材料を入れてた物質、例えば、ＩｎＡｓＮで量子ドットを形成してもよい。
【００７２】
さらに、本実施形態では、キャップ層にＧａＡｓを用いたが、これに限定されるものではなく、長波長化の観点から、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎＳｂＡｓ又はＧａＡｓ１−ｙＮｙを用いてもよい。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを用いた場合には、ｘの値が大きくなるに従って長波長化する。また、ＧａＡｓ１−ｙＮｙを用いた場合には、ｙの値が大きくなるに従って長波長化する。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入することによって、導入しない量子ドット半導体素子に較べて作用波長を長波長化することができる。そして、本発明に係る量子ドット半導体素子を半導体レーザ、光増幅素子及び光電変換素子にそれぞれ適用することによって長波長化及び特性改善を行うことができる。また、これら素子を光通信システムにおける光送信機、光中継機及び光受信機にそれぞれ利用することによって、長波長化、性能改善及び機器の小型化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分子線エピタキシによる窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置における成長室の概略構成図である。
【図２】窒素プラズマの分光スペクトルを示す図である。
【図３】窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】各製造工程における窒素導入量子ドット半導体素子の断面模式図である。
【図５】２．５ＭＬのＩｎＡｓ成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【図６】１．０ＭＬのＩｎＡｓ成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【図７】２．５ＭＬのＩｎＡｓについてのヘテロ構造成長過程における［−１１０］方向のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【図８】フォトルミネッセンスの発光スペクトルを示す図である。
【図９】フォトルミネッセンスの発光スペクトルにおける温度依存性を示す図である。
【図１０】発光ピークの温度特性を示す図である。
【図１１】窒素導入量子ドット半導体レーザ又は窒素導入量子ドット光増幅素子の構成を示す図である。
【図１２】窒素導入量子ドット光電変換素子の構成を示す図である。
【図１３】光通信システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１  成長室、１０  チャンバ、１１  インジウムセル、１２  ガリウムセル、１３  ヒ素セル、１４  窒素プラズマセル、１５  基板ホルダ、１６  マニピュレータ、１７  ＲＨＥＥＤ電子銃、１８  ＲＨＥＥＤスクリーン、２１、１１２、１３２  基板、２２  バッファ層、２３  薄膜、２３ａ  量子ドット、２３ｂ  ぬれ層、２４  窒素に関する層、２５  キャップ層、１００  窒素導入量子ドット半導体レーザ、１１１、１１７、１３１  オーミック電極、１１３、１１５  クラッド層、１１４  活性層、１１６  絶縁層、１２０  窒素導入量子ドット光増幅素子、１２４  増幅層、１３０  窒素導入量子ドット光電変換素子、１３３光電変換層、１３４  透明電極、２００  光通信システム、２０１  光送信機、２０２  伝送路、２０３  光受信機、２０４  光中継機、２１１  レーザ光源、２１２  外部変調器、２１３、２３１、２４１  光増幅器、２１４  光カプラ、２１５、２３２  受光素子、２１６  制御回路、２３３  復調回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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